Кто угрожает России? Вызовы будущего - Антон Первушин

Основные вехи овладения мирным термоядом таковы. В 1954 году сотрудники БЭП приступили к испытаниям фарфоровой тороидальной камеры с магнитной намоткой, которая стала прообразом будущих токамаков. В конце 1960-х на советском токамаке Т-3А была получена плазма с температурой электронов в 20 миллионов градусов, а ионов – в 4 миллиона и впервые зарегистрировано устойчивое термоядерное излучение плазменного шнура. Через 10 лет принстонский токамак RLT нагрел ионы в плазме примерно до 80 миллионов градусов. В 1995 году на другом американском токамаке TFTR температура ионов была доведена до 510 миллионов градусов; позднее этот рекорд превзошел японский токамак JT-10, который разогрел ионы до 520 миллионов градусов.

Однако разогрев до солнечных температур – это самое начало пути. Токамак не является энергетической установкой – наоборот, он жрет энергию, ничего не давая взамен. Термоядерная электростанция должна строиться на иных принципах.

Прежде всего физики определились с топливом для термояда. Хотя принято писать о термоядерной энергетике как о «солнечной», эта метафора не вполне уместна. Основой внутрисолнечного термоядерного синтеза является так называемый водородный цикл, в ходе которого четыре протона превращаются в ядро гелия-4, два позитрона и два нейтрино. Этот цикл включает в себя несколько ядерных реакций, скорости которых зависят от температуры и плотности солнечных недр. Первая из них – превращение пары протонов в ядро дейтерия, позитрон и нейтрино, в среднем требует примерно 14 миллиардов лет (что сопоставимо с возрастом нашей Вселенной). Конечно же, некоторым протонам удается встретиться и объединиться и за меньшее время – ведь будь иначе, термоядерная печь в центре газопылевой туманности, которая 4,5 миллиарда лет назад дала начало нашему Солнцу, не зажглась бы и до сих пор. Однако из-за медлительности водородного цикла генерация энергии в центре Солнца в расчете на единицу массы смехотворно мала. Звучит парадоксально, но один грамм солнечной материи выделяет меньше тепла, чем грамм человеческого тела! Исполинская мощность излучения Солнца объясняется его гигантской массой, но в качестве источника энергии для электростанций водородный цикл явно не подходит.

К счастью, он не единственно возможный – существуют и другие варианты. Почти идеальной для энергетического реактора является реакция на основе слияния ядер изотопов водорода – дейтерия и трития (D + Т), в результате чего образуется ядро гелия-4 и нейтрон. Энерговыделение этой реакции меньше, чем в водородном цикле, зато счет времени идет лишь на секунды, посему такой синтез вполне устраивает конструкторов термоядерных реакторов. Источником дейтерия послужит обычная вода (примерно в одной из каждых 3350 молекул воды один из атомов водорода замещен дейтерием), а тритий будут получать из облученного нейтронами лития – самого легкого из всех металлов, третьего элемента таблицы Менделеева.

Для преодоления кулоновского отталкивания дейтериево-тритиевую плазму необходимо нагреть как минимум до 100 миллионов градусов. Однако эта температура сама по себе не повлечет за собой самоподдерживающийся термоядерный процесс. В среднем на каждые сто тысяч столкновений ядер дейтерия с ядрами трития приходится лишь один акт образования гелия. Поэтому для запуска реактора плазму следует не только подогреть, но и сильно сжать, увеличив таким образом частоту столкновений и выход гелия. Кроме того, плазму необходимо сохранить в таком состоянии достаточно долго, чтобы успело сгореть заметное количество термоядерного топлива. Понятно, что с позиций инженерного проектирования получается весьма нетривиальная задача.

Именно запредельная техническая сложность термоядерного реактора долгое время сдерживала развитие данного направления энергетики. Ведь сложность – это еще и вопрос стоимости. К примеру, в 1976 году Консультативный комитет по термоядерной энергии Министерства энергетики США попытался оценить сроки осуществления научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР) на этапе создания демонстрационной (всего лишь демонстрационной!) термоядерной энергетической установки при разных вариантах финансирования исследований. При этом обнаружилось, что объемы существовавшего на тот момент годичного финансирования исследований в области термоядерной энергетики совершенно недостаточны, и при сохранении подобного уровня ассигнований создание даже уникальной экспериментальной установки никогда не завершится успехом.

Помимо технической сложности и высокой стоимости, сдерживающим фактором выступает… размер. Дело в том, что термоядерную установку обсуждаемого типа нельзя создать и продемонстрировать в виде небольшой модели. Как было сказано выше, для термоядерного синтеза необходимо не только магнитное удержание плазмы, но и достаточный ее нагрев. Отношение же затрачиваемой и получаемой энергии возрастает пропорционально квадрату линейных размеров установки, вследствие чего научно-технические возможности и преимущества термоядерных установок могут быть проверены и продемонстрированы лишь на крупных станциях. Общество просто не было готово к финансированию столь крупных проектов, пока не существовало достаточной уверенности в успехе.

Эти проблемы могли быть обойдены только в одной стране мира – в Советском Союзе, в котором власти не жалели денег на перспективные разработки и мало прислушивались к «общественному мнению». И советские физики действительно вырвались вперед, научившись строить уникальные токамаки, которые сегодня являются предметом вожделения многих научных учреждений мира.

Однако с началом реформ и в СССР начали придавать значение финансовой отдаче, поэтому возникла идея кооперации усилий в рамках международного проекта. Впервые она обсуждалась на высоком уровне в начале октября 1985 года во время встречи Генерального секретаря ЦК КПСС Михаила Горбачева и французского президента Франсуа Миттерана. Идея получила дальнейшее развитие через полтора месяца, когда Горбачев провел в Женеве переговоры с президентом США Рональдом Рейганом. Вскоре определился первоначальный круг партнеров по разработке первой термоядерной электростанции: СССР, США, Евросоюз и Япония (со временем к ним присоединились КНР и Южная Корея). В 1999 году США вышли из числа участников этой программы, однако через четыре года сочли за благо в нее вернуться.

Итак, первый экспериментальный термоядерный реактор для энергетики будет всё-таки построен – в поселке Кадараш, который находится на юго-востоке Франции, поблизости от города Эксан-Прованс. Выбор места был предопределен: в 1988 году именно там ввели в эксплуатацию самый большой в мире плазменный реактор на сверхпроводящих магнитах Tore Supra.

К сожалению, установка, которую построят в Кадараше, всё еще не сможет работать в качестве термоядерной электростанции, но, возможно, приблизит время ее появления. Неслучайно ее назвали ITER – эта аббревиатура расшифровывается как International Thermonuclear Experimental Reactor, но имеет и символический смысл: по-латыни iter – дорога, путь. Таким образом, кадарашский реактор должен «проложить путь» к термоядерной энергетике будущего, которая обеспечит выживание человечества и после истощения запасов ископаемого топлива.

ITER устроен следующим образом. В его центральной части располагается тороидальная камера объемом около 2000 м3, заполненная тритий-дейтериевой плазмой, нагретой до температуры выше 100 миллионов градусов. Образующиеся при реакции синтеза нейтроны покидают «магнитную бутылку» и сквозь «первую стенку» попадают в свободное пространство бланкета толщиной около метра. Внутри бланкета нейтроны сталкиваются с атомами лития, в результате чего происходит реакция с образованием трития – при этом количество образующегося трития должно не только обеспечивать потребности самой установки, но и быть даже несколько большим, что позволит обеспечивать тритием и другие станции. Кроме того, нейтроны должны разогревать «первую стенку» примерно до температуры 400 °C. Пока решено использовать в качестве материала стенки нержавеющую ауотенитную сталь, облицованную изнутри бериллиевыми пластинами. В дальнейшем конструкторы собираются создать усовершенствованные установки с температурой нагрева оболочки выше 1000 °C, что может быть достигнуто за счет использования новейших высокопрочных материалов (типа композитов из карбида кремния). Выделяющееся внутри бланкета тепло, как и в обычных станциях, отбирается первичным охлаждающим контуром с теплоносителем (содержащим, например, воду или гелий) и передается на вторичный контур, где и производится водяной пар, идущий в турбины, которые вырабатывают электроэнергию.

Установка ITER – воистину мегамашина. Ее вес составляет 19 000 тонн, внутренний радиус тороидальной камеры – 2 метра, внешний – больше 6 метров. Сооружение реактора займет десять лет, первые эксперименты начнутся не ранее 2015 года и продлятся пару десятков лет.